电弧增材制造中凝固过程的微观组织形貌演变建模与数值研究
发布时间：2021-07-06 21:20
钛合金具有密度低、强度高、耐蚀性好以及优良的耐高温性能和生物相容性等特点,因此被广泛应用于航空航天以及医疗设备等方面,但钛合金的加工性能较差,采用传统的去除材料加工方法的成本高昂。随着增材制造技术的不断发展,增材制造技术在钛合金上的应用引起了研究人员广泛关注。TC4钛合金由于其出色的性能,是当前使用最多的钛合金材料,电弧增材制造技术具有成本低、设备较为简单且易于控制的特点,广泛应用多种材料的增材制造技术中。使用电弧增材制造技术制备TC4钛合金零部件是最为经济的。金属材料的力学性能主要取决于晶粒的形态、大小及取向等因素,由于难以对增材制造过程中晶粒的形核、生长及演变过程进行直接观察,采用物理建模的数值分析方法可深入分析复杂热源条件下晶粒的形核、生长及演变行为,并探究增材制造过程在特殊热循环下,晶粒形貌形成原因及机理。本文结合蒙特卡洛方法（Monte Carlo,MC）MC和CA（Cellular Automaton,CA）方法建立非热平衡条件下的多取向物相模型,对增材制造中熔池凝固过程以及晶粒形核和生长行为进行了二维及三维数值分析。数值模型采用六边形网格,使用蒙特卡洛方法对熔池不同位置的...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
密排六方结构的α钛与体心立方结构的β钛的晶体结构[34]
电弧增材制造中凝固过程的微观组织形貌演变建模与数值研究4表1.1TC4合金的化学成分[38]元素TiAlVFeSiCONH含量基体5.5-6.83.5-4.5≤0.30≤0.15≤0.15≤0.20≤0.05≤0.015图1.2TC4钛合金微观组织[50]1.3凝固微观组织的建模焊接的特点是瞬时性、非平衡性和热源移动性，焊接的基底状况、工艺参数和接头的表面状态等因素都会影响整体的的结构和性能。传统的试验研究局限于设备、焊接环境，无法动态的记录焊接接头形成过程中的组织、结构演变历程，为了探讨材料的理化性能在焊接这一非平衡态热处理过程中的变化情况，数值模拟方法自然而然的成为一个新的研究方向[41,44]。熔池凝固过程的微观组织模拟主要是基于熔液凝固过程中发生的形核和生长的物理模型，选择合适的微观组织模拟方法，并建立了相应的物理模型和数学模型。计算了不同凝固条件下晶粒形貌等微观结构的演变，并实现了晶粒成核和生长的可视化。在焊接过程中，熔池中液态金属的凝固、热影响区的重结晶、晶粒的生长以及固相转变都会影响焊接接头的组织和力学性能。因此，在仿真中需要一起考虑这些特性。同时，由于焊接过程具有凝固速度大、温度分布不均匀、动态结晶和偏析严重等特点，都增加了模拟焊接接头结构的难度。许多学者基于不同的数值模拟方法进行了材料微观结构模拟，包括：确定性方法[45]、蒙特卡洛方法[46,48]、水平集方法[49,50]、相场方法[51,53]以及元胞自动机方法[54,57]等。1.3.1元胞自动机（CA）CA是一种基于变换规则反映元胞集合状态的算法，当规则迭代应用时，离散空间中被划分区域的网格演化会自动发生。传统的元胞自动机使用局部规则，其中元胞的瞬时状态/值是其附近单元格的函数。最近，随着元胞自动机方法的发展也考虑了中程或长程G-R相
硕士学位论文5学模型不同，CA不是由物理方程式严格定义的，而是由用一组模型构建的规则定义的[60]。通常，CA模型由元胞、元胞状态、元胞空间、元胞邻域、规则和时间功能组成。通过确定性或随机变换规则指定单元与其邻居之间的局部相互作用（开发了不同类型的邻居算法）。在处理复杂、动态和随机问题时，CA由于其对邻居和演变规则的灵活定义而具有显著的优势，其应用不限于特定领域。目前，CA已被用于社会学、生态学、计算机科学、物理、化学等学科的仿真模型[61,62]。图1.3时间步长(a)17、(b)22、(c)30和(d)34中形核元胞，每个捕获的细胞、其中心和相应的正方形用相同的颜色描绘在过去的25年中，CA已成功地应用于微观结构模拟，如静态再结晶[63,67]、动态再结晶[68,69]和晶粒生长行为[70,72]。第一个结合凝固行为的CA模型是在20世纪90年代发展起来的[73,85]。这些CA模型最初是在2D中进行开发，后来扩展到3D，再加上有限元(FE)热流计算，得到了所谓的元胞自动机-有限元(CAE)模型[74-75]。它们广泛应用于熔铸[76]、定向凝固[77]和不同合金体系中广泛的显微组织演化现象，包括枝晶、显微偏析、缺陷[78,80]。此外，在凝固的最后阶段，通过CA模拟控制铸件生产过程中不同类型的缺陷形成，以达到所需的微观结构。通过改变热源参数来研究显微组织的变化。利用正方形生长算法，将晶体对称性和取向信息存储在晶粒生长区的每个单元中（图1.3）。随后，晶粒细胞能够根据总过冷
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟[J]. 朱鸣芳,汤倩玉,张庆宇,潘诗琰,孙东科. 金属学报. 2016(10)
[2]航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展[J]. 蔡建明,弭光宝,高帆,黄浩,曹京霞,黄旭,曹春晓. 材料工程. 2016(08)
[3]我国航空用钛合金技术研究现状及发展[J]. 朱知寿. 航空材料学报. 2014(04)
[4]SAF2205钢板焊条电弧焊焊接接头残余应力有限元分析[J]. 顾建东. 中国特种设备安全. 2013(07)
[5]钛合金的研究进展与应用现状[J]. 彭昂,毛振东. 船电技术. 2012(10)
[6]钛合金的研究进展与应用[J]. 刘奇先,刘杨,高凯. 航天制造技术. 2011(04)
[7]T型角接头焊接热源模型研究[J]. 肖冯,米彩盈. 电焊机. 2010(06)
[8]国内外钛合金研究的发展现状及趋势[J]. 赵永庆. 中国材料进展. 2010(05)
[9]Ti-45at.%Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟[J]. 王狂飞,郭景杰,米国发,李邦盛,傅恒志. 物理学报. 2008(05)
[10]钛合金研究新进展及应用现状[J]. 訾群. 钛工业进展. 2008(02)
博士论文
[1]Ni-Cr二元合金焊接熔池枝晶生长模拟[D]. 占小红.哈尔滨工业大学 2008
[2]SUS316和NIMONIC263焊接接头晶粒长大MONTE CARLO模拟[D]. 徐艳利.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]基于元胞自动机法的Fe-C合金焊缝熔池凝固过程微观组织模拟[D]. 李露露.西安理工大学 2016
[2]基于元胞自动机法的TC4-DT钛合金电子束焊接头晶粒组织模拟[D]. 余明敏.南京航空航天大学 2015
[3]晶粒生长的蒙特卡洛模拟方法研究[D]. 曹小虎.华东理工大学 2014
[4]送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性研究[D]. 章敏.哈尔滨工业大学 2013
[5]铝合金焊接微观组织模拟[D]. 杜守鹏.沈阳航空航天大学 2013
[6]旁路耦合电弧焊热物理过程研究[D]. 韩日宏.兰州理工大学 2012
[7]电子束焊接熔池凝固组织模拟的探索[D]. 姜燕燕.哈尔滨工业大学 2011
[8]晶粒组织演化的元胞自动机模拟[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2007
[9]基于蒙特卡罗方法的晶粒生长模拟系统研究[D]. 张海.中南大学 2007
[10]基于CA法的熔池凝固过程模拟初探[D]. 赵军.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3268991
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
密排六方结构的α钛与体心立方结构的β钛的晶体结构[34]
电弧增材制造中凝固过程的微观组织形貌演变建模与数值研究4表1.1TC4合金的化学成分[38]元素TiAlVFeSiCONH含量基体5.5-6.83.5-4.5≤0.30≤0.15≤0.15≤0.20≤0.05≤0.015图1.2TC4钛合金微观组织[50]1.3凝固微观组织的建模焊接的特点是瞬时性、非平衡性和热源移动性，焊接的基底状况、工艺参数和接头的表面状态等因素都会影响整体的的结构和性能。传统的试验研究局限于设备、焊接环境，无法动态的记录焊接接头形成过程中的组织、结构演变历程，为了探讨材料的理化性能在焊接这一非平衡态热处理过程中的变化情况，数值模拟方法自然而然的成为一个新的研究方向[41,44]。熔池凝固过程的微观组织模拟主要是基于熔液凝固过程中发生的形核和生长的物理模型，选择合适的微观组织模拟方法，并建立了相应的物理模型和数学模型。计算了不同凝固条件下晶粒形貌等微观结构的演变，并实现了晶粒成核和生长的可视化。在焊接过程中，熔池中液态金属的凝固、热影响区的重结晶、晶粒的生长以及固相转变都会影响焊接接头的组织和力学性能。因此，在仿真中需要一起考虑这些特性。同时，由于焊接过程具有凝固速度大、温度分布不均匀、动态结晶和偏析严重等特点，都增加了模拟焊接接头结构的难度。许多学者基于不同的数值模拟方法进行了材料微观结构模拟，包括：确定性方法[45]、蒙特卡洛方法[46,48]、水平集方法[49,50]、相场方法[51,53]以及元胞自动机方法[54,57]等。1.3.1元胞自动机（CA）CA是一种基于变换规则反映元胞集合状态的算法，当规则迭代应用时，离散空间中被划分区域的网格演化会自动发生。传统的元胞自动机使用局部规则，其中元胞的瞬时状态/值是其附近单元格的函数。最近，随着元胞自动机方法的发展也考虑了中程或长程G-R相
硕士学位论文5学模型不同，CA不是由物理方程式严格定义的，而是由用一组模型构建的规则定义的[60]。通常，CA模型由元胞、元胞状态、元胞空间、元胞邻域、规则和时间功能组成。通过确定性或随机变换规则指定单元与其邻居之间的局部相互作用（开发了不同类型的邻居算法）。在处理复杂、动态和随机问题时，CA由于其对邻居和演变规则的灵活定义而具有显著的优势，其应用不限于特定领域。目前，CA已被用于社会学、生态学、计算机科学、物理、化学等学科的仿真模型[61,62]。图1.3时间步长(a)17、(b)22、(c)30和(d)34中形核元胞，每个捕获的细胞、其中心和相应的正方形用相同的颜色描绘在过去的25年中，CA已成功地应用于微观结构模拟，如静态再结晶[63,67]、动态再结晶[68,69]和晶粒生长行为[70,72]。第一个结合凝固行为的CA模型是在20世纪90年代发展起来的[73,85]。这些CA模型最初是在2D中进行开发，后来扩展到3D，再加上有限元(FE)热流计算，得到了所谓的元胞自动机-有限元(CAE)模型[74-75]。它们广泛应用于熔铸[76]、定向凝固[77]和不同合金体系中广泛的显微组织演化现象，包括枝晶、显微偏析、缺陷[78,80]。此外，在凝固的最后阶段，通过CA模拟控制铸件生产过程中不同类型的缺陷形成，以达到所需的微观结构。通过改变热源参数来研究显微组织的变化。利用正方形生长算法，将晶体对称性和取向信息存储在晶粒生长区的每个单元中（图1.3）。随后，晶粒细胞能够根据总过冷
【参考文献】：
期刊论文
[1]合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟[J]. 朱鸣芳,汤倩玉,张庆宇,潘诗琰,孙东科. 金属学报. 2016(10)
[2]航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展[J]. 蔡建明,弭光宝,高帆,黄浩,曹京霞,黄旭,曹春晓. 材料工程. 2016(08)
[3]我国航空用钛合金技术研究现状及发展[J]. 朱知寿. 航空材料学报. 2014(04)
[4]SAF2205钢板焊条电弧焊焊接接头残余应力有限元分析[J]. 顾建东. 中国特种设备安全. 2013(07)
[5]钛合金的研究进展与应用现状[J]. 彭昂,毛振东. 船电技术. 2012(10)
[6]钛合金的研究进展与应用[J]. 刘奇先,刘杨,高凯. 航天制造技术. 2011(04)
[7]T型角接头焊接热源模型研究[J]. 肖冯,米彩盈. 电焊机. 2010(06)
[8]国内外钛合金研究的发展现状及趋势[J]. 赵永庆. 中国材料进展. 2010(05)
[9]Ti-45at.%Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟[J]. 王狂飞,郭景杰,米国发,李邦盛,傅恒志. 物理学报. 2008(05)
[10]钛合金研究新进展及应用现状[J]. 訾群. 钛工业进展. 2008(02)
博士论文
[1]Ni-Cr二元合金焊接熔池枝晶生长模拟[D]. 占小红.哈尔滨工业大学 2008
[2]SUS316和NIMONIC263焊接接头晶粒长大MONTE CARLO模拟[D]. 徐艳利.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]基于元胞自动机法的Fe-C合金焊缝熔池凝固过程微观组织模拟[D]. 李露露.西安理工大学 2016
[2]基于元胞自动机法的TC4-DT钛合金电子束焊接头晶粒组织模拟[D]. 余明敏.南京航空航天大学 2015
[3]晶粒生长的蒙特卡洛模拟方法研究[D]. 曹小虎.华东理工大学 2014
[4]送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性研究[D]. 章敏.哈尔滨工业大学 2013
[5]铝合金焊接微观组织模拟[D]. 杜守鹏.沈阳航空航天大学 2013
[6]旁路耦合电弧焊热物理过程研究[D]. 韩日宏.兰州理工大学 2012
[7]电子束焊接熔池凝固组织模拟的探索[D]. 姜燕燕.哈尔滨工业大学 2011
[8]晶粒组织演化的元胞自动机模拟[D]. 何东.哈尔滨工业大学 2007
[9]基于蒙特卡罗方法的晶粒生长模拟系统研究[D]. 张海.中南大学 2007
[10]基于CA法的熔池凝固过程模拟初探[D]. 赵军.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3268991
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3268991.html
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